電子鼻技術(shù)促進(jìn)醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展★

王興華，王光耀，盛 良，汪 宇，Te Kian Keong，Teh Siew Hoon，Ooi Ciat Hui

（1. 南京中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2．Universiti Tunku Abdul Rahman，Malaysia）

電子鼻技術(shù)促進(jìn)醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展★

王興華1，2，王光耀1△，盛 良1，汪 宇1，Te Kian Keong2，Teh Siew Hoon2，Ooi Ciat Hui2

（1. 南京中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2．Universiti Tunku Abdul Rahman，Malaysia）

電子鼻技術(shù)是一種人工嗅覺(jué)系統(tǒng)，在環(huán)境保護(hù)、火災(zāi)監(jiān)控、食品安全、藥物鑒別、疾病診斷等諸多領(lǐng)域中均有應(yīng)用。所需耗材較少，檢測(cè)速度較快，數(shù)據(jù)誤差較小，靈敏度與精準(zhǔn)度較高，重復(fù)性較好，樣品無(wú)破壞性，費(fèi)用也相對(duì)便宜。預(yù)測(cè)電子鼻技術(shù)將促進(jìn)醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)進(jìn)步，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)撃堋?/p>

電子鼻技術(shù)；環(huán)境保護(hù)；火災(zāi)監(jiān)控；食品安全；藥物鑒別；疾病診斷

電子鼻技術(shù)是一種人工嗅覺(jué)系統(tǒng)，是模仿動(dòng)物嗅覺(jué)對(duì)氣體的感應(yīng)，利用氣體在電極上的吸附與反應(yīng)，導(dǎo)致電子器件響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視，能用圖形方式展現(xiàn)，適合揮發(fā)性成分的探測(cè)和識(shí)別。電子鼻由具有選擇性的電化學(xué)傳感器陣列組成，既能識(shí)別簡(jiǎn)單氣味，也能識(shí)別復(fù)雜氣味，所需耗材較少，檢測(cè)速度較快，數(shù)據(jù)誤差較小，靈敏度與精準(zhǔn)度較高，重復(fù)性較好，樣品無(wú)破壞性，費(fèi)用也相對(duì)便宜。目前主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域。

1. 環(huán)境保護(hù)

環(huán)境污染影響健康，引發(fā)疾病，適時(shí)監(jiān)測(cè)，非常重要。電子鼻技術(shù)可以用于污染氣體排放源的直接檢測(cè)、室外空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)以及污水、受污染土壤及固體廢物的頂空氣體分析。生活垃圾處理的主要方式是焚燒、填埋與堆肥，但在處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的惡臭化合物，污染周邊環(huán)境。電子鼻能夠獲取臭氣濃度現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值，是比較簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法，省去了采樣步驟，能夠直接反映惡臭污染強(qiáng)度的梯度變化。通過(guò)電子鼻檢測(cè)，能夠直觀地了解惡臭污染分布及其濃度梯度下降趨勢(shì)，找處主要的惡臭污染釋放點(diǎn)源，進(jìn)行改造糾正[1]。養(yǎng)殖場(chǎng)是農(nóng)村或郊區(qū)的污染源，用電子鼻技術(shù)能精確檢測(cè)，并連續(xù)監(jiān)控。在制革廠、造紙廠、釀制廠、化肥廠、污水處理廠、垃圾站及填埋場(chǎng)等易發(fā)污染區(qū)域，也可應(yīng)用。散發(fā)惡臭氣味以及蘊(yùn)含有毒有害物質(zhì)成分的氣體都是社會(huì)公害，影響人體健康，損壞儀器設(shè)備[2]。應(yīng)用電子鼻技術(shù)監(jiān)測(cè)，能精確識(shí)別。

2. 火災(zāi)監(jiān)控

可燃性氣體是燃?xì)狻⑹汀⒒ぁ⑾馈⒁苯稹①e館及采礦等行業(yè)中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，電子鼻在此領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。研究者使用電子鼻可以較準(zhǔn)確地分析出可燃混合氣體中不同氣體的濃度，對(duì)甲烷、丙烷和丁烷的混合氣體進(jìn)行檢測(cè)，可以有效識(shí)別三種組分，表明電子鼻技術(shù)可以應(yīng)用于可燃?xì)怏w泄露報(bào)警[3]。煤礦火災(zāi)是安全生產(chǎn)中的主要災(zāi)害之一，煤塵、瓦斯爆炸的發(fā)生常常互為因果，是釀成煤礦重大惡性事故的原因。為了防范事故的發(fā)生，必須采取有效措施。電子鼻可以對(duì)礦井等環(huán)境所產(chǎn)生的特征氣味模式進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析檢測(cè)。易燃物氣體、溫度、濕度等達(dá)到一定比例，就處于危險(xiǎn)階段，此時(shí)是事故的高發(fā)期。電子鼻具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能對(duì)氣體成分進(jìn)行辨識(shí)分析，當(dāng)氣體成分達(dá)到危險(xiǎn)臨界值時(shí)，就會(huì)自動(dòng)發(fā)布檢測(cè)報(bào)告并報(bào)警，能夠有效地降低火災(zāi)事故的發(fā)生率，為煤礦井下的工作安全提供保障[4]。該方法同樣也適用于其他危險(xiǎn)環(huán)境下的氣體分析和安全檢測(cè)。

3. 食品安全

食品生產(chǎn)加工過(guò)程中摻雜使假、濫用添加劑、用工業(yè)原料和病死畜禽肉生產(chǎn)加工食品等違法犯罪活動(dòng)時(shí)有顯現(xiàn)，毒奶粉、瘦肉精、染色饅頭、牛肉膏等食品安全事件頻頻曝光，嚴(yán)重地?fù)p害了消費(fèi)者的健康，這些都可以用電子鼻檢測(cè)監(jiān)控。電子鼻能判斷谷物在儲(chǔ)藏過(guò)程中陳化、霉變的程度；可以區(qū)分不同飼養(yǎng)方式的豬肉，判斷豬肉新鮮度；也可以用于乳制品成熟期和貨架期的預(yù)測(cè)、乳中揮發(fā)性物質(zhì)的分析、乳中微生物的分類(lèi)、干酪種類(lèi)的分類(lèi)、乳制品產(chǎn)地的區(qū)分等；還能“嗅出”食品等級(jí)，成功區(qū)分類(lèi)別與級(jí)別[5]；可以辨別油脂的酸敗程度，檢出地溝油[6]；能發(fā)現(xiàn)芝麻油中摻入的大豆油、玉米油、葵花籽油等[7]，鑒別摻偽成分。電子鼻還能檢測(cè)到殘存于蔬菜、水果等食物中的痕量農(nóng)藥。

4. 藥物鑒別

傳統(tǒng)中藥的氣味鑒定依靠人體嗅覺(jué)，需要有長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)的積累，并存在一定的主觀性，易發(fā)生誤判或漏檢。將電子鼻技術(shù)引入中藥研究領(lǐng)域[8-10]，可用于不同藥材的鑒別，如草果、草豆蔻、白豆蔻、砂仁、郁金、莪術(shù)、干姜、高良姜等常用中藥材，均來(lái)源于姜科植物，其內(nèi)在化學(xué)成分和外在感官氣味都具有高度的相似性，人的嗅覺(jué)不易準(zhǔn)確分辨，尤其是經(jīng)過(guò)加工的粉末劑、浸泡提取劑，已經(jīng)失去其原有的外部完整形態(tài)，識(shí)別起來(lái)就更加困難。研究者用電子鼻進(jìn)行氣味指紋分析。結(jié)果顯示，電子鼻能很好地區(qū)分這些藥材粉末，不再受樣品失去外在形態(tài)的干擾，克服了人體嗅覺(jué)檢測(cè)的主觀性、模糊性和經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性。可用于藥材相同而品種不同的鑒別，如蒼術(shù)來(lái)源于茅蒼術(shù)或北蒼術(shù)，市售品種混亂，甚至有用關(guān)蒼術(shù)冒充。用電子鼻檢測(cè)北蒼術(shù)、茅蒼術(shù)、關(guān)蒼術(shù)等藥材的粉末，能準(zhǔn)確區(qū)分。對(duì)3種生長(zhǎng)年限9批黃芪藥材氣味的響應(yīng)值，發(fā)現(xiàn)相同生長(zhǎng)年限黃芪樣品的氣味相似，與化學(xué)成分分析法分類(lèi)結(jié)果一致，顯示電子鼻可用于黃芪不同生長(zhǎng)年限的鑒別[11]。與傳統(tǒng)鑒別方法相比，電子鼻技術(shù)系統(tǒng)具有樣品無(wú)損、用量很少、零有機(jī)溶劑等優(yōu)點(diǎn)。

5. 疾病診斷

人體的氣味與健康息息相關(guān)，將電子鼻技術(shù)引進(jìn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以促進(jìn)嗅診的發(fā)展。例如，肺癌患者早期并沒(méi)有明顯的器質(zhì)性病變，但病人呼出的氣體中已具有肺癌特征的揮發(fā)性有機(jī)化合物，檢測(cè)這種氣體，并進(jìn)行分析，就能做出早期肺癌的診斷。利用電子鼻分析患者呼氣，對(duì)肺癌診斷的敏感性和特異性較高，且不受年齡、性別和組織學(xué)及吸煙史等因素的影響。對(duì)非小細(xì)胞肺癌患者的呼氣中的VOCs進(jìn)行檢測(cè)，準(zhǔn)確度達(dá)100%[12]。使用電子鼻技術(shù)系統(tǒng)對(duì)病原微生物金黃葡萄球菌、白喉?xiàng)U菌的類(lèi)型和生長(zhǎng)階段進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果對(duì)白喉?xiàng)U菌的識(shí)別高達(dá)92%，對(duì)金黃葡萄球菌的識(shí)別高達(dá)100%。使用預(yù)先設(shè)計(jì)好的電子鼻技術(shù)系統(tǒng)，篩查社會(huì)人群，可以發(fā)現(xiàn)隱匿型糖尿病患者，并作出早期診斷，還具有快速、便捷、無(wú)創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)。將電子鼻技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于檢測(cè)疾病患者的寒熱證型，發(fā)現(xiàn)在健康狀態(tài)下，同一個(gè)人在不同時(shí)段的氣味圖譜特征幾乎一致。而在相同時(shí)段、不同個(gè)人之間檢測(cè)到的氣味圖譜則存在顯著差異。同一個(gè)人在健康階段和患病階段檢測(cè)到的氣味圖譜存在差異，顯示電子鼻技術(shù)可以應(yīng)用于疾病的診斷。同樣是外感疾病，其寒證氣味圖譜與熱證氣味圖譜也存在差異[13]。顯示電子鼻技術(shù)可以應(yīng)用于疾病不同證候的鑒別診斷。

6. 評(píng)價(jià)與展望

針對(duì)移動(dòng)環(huán)境的檢測(cè)需要，研究人員設(shè)計(jì)了基于GPRS的遠(yuǎn)程檢測(cè)無(wú)線(xiàn)電子鼻系統(tǒng)，包括微處理器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、GPRS模塊、氣敏傳感陣列和遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)遠(yuǎn)程通信性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電子鼻數(shù)據(jù)發(fā)送周期在400ms以上時(shí)，系統(tǒng)的傳輸速率、累計(jì)丟包率和通信時(shí)延都能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)電子鼻檢測(cè)的要求，檢測(cè)采摘后的芒果，得到的香氣響應(yīng)特性曲線(xiàn)清晰、穩(wěn)定，試驗(yàn)組逐步回歸模型、對(duì)照組基于線(xiàn)性判別的支持向量機(jī)模型和試驗(yàn)組模型對(duì)芒果貯藏天數(shù)都具有較好的預(yù)測(cè)效果[14]。電子鼻技術(shù)系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間短、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能避免人為測(cè)定時(shí)的個(gè)體差異，得到誤差小、重復(fù)性好、靈敏度高的數(shù)據(jù)。在有毒氣體、刺激性氣體的樣品測(cè)定時(shí)，更具優(yōu)越性，有廣闊的應(yīng)用前景，將給醫(yī)藥行業(yè)帶來(lái)一次技術(shù)革命。目前該技術(shù)還處于發(fā)展階段，研究樣本不多，評(píng)價(jià)體系欠缺，靈敏度與穩(wěn)定性有待提高，模式識(shí)別方法有待改進(jìn)。研制體積小、價(jià)格低的便攜式電子鼻技術(shù)系統(tǒng)，是未來(lái)發(fā)展的方向。

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Electronic Nose Boosts the Development of Medical and Health Undertakings

WANG Xing-hua1,2, WANG Guang-yao1△, SHENG Liang1, WANG Yu1, Te Kian Keong2, Teh Siew Hoon2, Ooi Ciat Hui2
(1. Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, Jiangsu, China; 2. Universiti Tunku Abdul Rahman, Malaysia)

Electronic nose technology is a kind of artificial olfactory system, which has been applied in many fields such as environmental protection, fire monitoring, food safety, drug identification, disease diagnosis and so on.The material is less, the detection speed, data error is small, the sensitivity and accuracy is higher, the repeatability is good, the sample is not destroyed, the cost is relatively cheap.Prediction of electronic nose technology will promote the progress of medical and health services, has broad application prospects and development potential.

Electronic nose technology; Environmental protection; Fire monitor; Food safety; Drug identification; Disease diagnosis

江蘇省科學(xué)技術(shù)廳基礎(chǔ)研究計(jì)劃（自然科學(xué)基金）資助項(xiàng)目(BK2012857)。國(guó)家中醫(yī)藥管理局重點(diǎn)學(xué)科，江蘇省重點(diǎn)學(xué)科。

Centre for Research in Traditional Chinese Medicine，UTAR.

王興華(1951-)，江蘇邳州人，醫(yī)學(xué)博士，資深教授，博士生導(dǎo)師，從事中醫(yī)臨床基礎(chǔ)研究。通訊作者：王光耀(1986-)，男，江蘇南京人，醫(yī)學(xué)碩士，講師，主治中醫(yī)師，從事中醫(yī)藥基礎(chǔ)理論與臨床應(yīng)用研究。